时域有限差分方法

摘要： 基于广义Zakharov模型,结合斜入射等离子体的时域有限差分(FDTD)方法与双流体力学方程,通过由二维麦克斯韦方程等价转换的一维麦克斯韦方程,与等离子体流体力学方程建立了一个电磁波以不同角度入射电离层传播的数值模型.分析推导出TEz波在斜入射非线性电离层等离子体的支配方程,然后推导了适用于计算电离层电磁波传播特性的FDTD算法.通过仿真来证明该方法在较小倾角下,电磁波对电离层加热形成Langmuir扰动及其传播特性的准确性和有效性.结果表明,在小角度入射下,大功率高频电磁波在电离层等离子体中的O波反射点附近激发出了Langmuir波,同时波粒相互作用导致O波转换为Z波并向电离层更高区域传播.本文进一步研究了基于电离层等离子体的电磁波传播特性,为全面深入分析电离层Langmuir扰动对电离层电波传播特性影响奠定数值算法的基础.

摘要： 凭借矩阵指数技术,一套紧凑且高精度的基于双线性Z变换的复频率偏移完全匹配层(perfectly matched layer,PML)算法被提出截断时域有限差分问题,实现甚低频地下探测和甚高频地下成像的模拟.正因为采用了该技术,所提出的算法呈现为紧凑的一阶微分矩阵格式,使得该算法能够在数学推导期间完全地避免进行卷积操作、公式重排、变量替换.再者,所提出算法不仅可以灵活地截断任意材料(因为采用了电/磁通量本构关系式),而且能够高效地衰减隐失波以及减少电磁波相互作用过程中后期的反射,从而更好地模拟开域空间问题.此外,在距离目标体更近的距离进行截断模拟时,所提出算法仍然可以维持较高的吸收性能,以至于更小的计算区域可以被采用于模拟三维地下探测与成像问题,从而节省了大量的内存和计算时间.最后,地下探测与成像问题被应用到阐述所提出算法的有效性和精度.

摘要： 针对密集排列的聚合物微纳光纤间存在的串扰问题,文章提出采用时域有限差分方法分析两根相交的聚对苯二甲酸丙二醇酯微纳光纤的相交角度、直径、分离距离、偏振模态及波长对串扰的影响.仿真结果表明,串扰随相交角度和分离距离的增大而减小,通常从单模截止直径起,串扰随直径的减小而增大,直到达到一个最大值,然后随直径的减小而减小,X方向偏振模态时串扰较低,波长为1550 nm时串扰较低.仿真结果为构筑超紧凑结构复杂的光学器件和小型化集成光路提供了较好的指导意义和参考价值.

摘要： 基于面中心立方体(face-centered cube,FCC)网格的空间结构,由麦克斯韦方程出发,推导了基于FCC网格的单轴各向异性介质完全匹配层(uniaxial anisotropic media perfectly matched layer,UPML)吸收边界条件以及近-远场外推边界条件的三维迭代式.通过典型算例,先后验证了基于面中心立方体网格的时域有限差分(FCC-finite difference time domain,FCC-FDTD)方法的UPML吸收边界条件和近远场外推边界条件的正确性.最后通过计算金属球的后向雷达散射截面(radar cross section,RCS)比较了 FCC-FDTD方法与传统FDTD方法的计算精度,结果显示FCC-FDTD方法具有更高的计算精度.

摘要： 结合时域有限差分法、物理光学法以及非均匀媒质射线跟踪方法,研究了电推进羽流对卫星电磁传输环境的影响,开发了一款电推进羽流电磁效应仿真软件.因软件采用低频与高频算法相结合的计算构架,故可为这类问题分析提供宽频域的解决方案.最后,通过C#平台对所编制程序进行交互设置,为羽流-卫星系统电磁特性分析提供了一种便捷的手段.研究结果对推动仿真软件国产化可起到一定促进作用.

摘要： 为了满足置于粗糙面之上组合目标测量和检测的需要,该文分别采用Dobson半经验模型和电介质复介电常数公式表示土壤介电常数的实部和虚部,应用指数型分布粗糙面和Monte Carlo方法模拟实际的土壤表面.通过与矩量法得到的计算结果比较,验证了时域有限差分(FDTD)方法计算粗糙面与目标复合散射问题的有效性,进而运用该方法研究了土壤表面与置于其上组合目标的复合散射,得出了复合散射系数的角分布曲线.结果表明:复合散射系数随散射角振荡地变化,在镜反射方向处发生散射增强效应;土壤表面高度起伏均方根越大,复合散射系数越大;相关长度越大,复合散射系数越小;湿度越大,复合散射系数越小;组合目标尺度、介电常数、入射角对复合散射系数影响比较复杂.该文结果可用于求解地、海粗糙面与置于其上任意目标的复合电磁散射问题,与其它数值计算方法相比较,采用时域有限差分方法既可获得较高的准确性,同时又可减少计算时间和内存占用量.

摘要： 本文从电磁场理论出发,运用时域有限差分方法(FDTD)研究亚波长缓变折射率结构的热辐射光谱特性,分析了阶梯结构、圆锥和金字塔三种结构形貌和不同结构参数对光谱特性的影响,另外,讨论入射角度对阶梯结构光谱特性的影响.计算结果表明,阶梯结构具有较好的宽角度减反特性.

摘要： 在时域有限差分方法(FDTD)对波导不连续性问题的分析中,采用了激励空间加源方式.首先,比较激励空间加源法在FDTD中实现的2种方案.然后,通过对吸收边界的合理设置和连接边界的处理泄漏场值达到-80 dB以下.最后,采用文中方法分析了波导不连续性并与解析结果比较.数值结果说明了该方法的准确有效性.

摘要： 采用时域有限差分方法（FDTD）模拟了球形硫化镉（CdS）粒子系在水中不同分布形态下的光谱特性。研究了粒子与光的作用过程，并充分考虑了粒子之间的相互作用。讨论了定体积浓度下粒径对光谱吸收特性的影响。模拟中所取浓度与多数实验中采用的浓度保持一致，发现粒子系的吸收率均偏低，这与粒子浓度较低有关。随机分布形态下体系的吸收率随粒径增大而降低，并且在粒径较小时降低程度更明显。对比了相同浓度、相同粒径下CdS粒子系周期分布和随机分布形态的光谱特性。在所讨论的浓度和粒径条件下，粒子系的分布形态对体系的光学性质影响较小。

摘要： 本文根据三种色散介质模型(即德拜模型，洛仑兹模型和德鲁模型)的介电系数线性组合可写成以jω为自变量的分式多项式形式的特点，在文献[5]的基础之上，将移位算子时域有限差分方法(SO-FDTD)推广，使其适于色散介质混合模型电磁计算的需要。数值计算结果和解析解的比较说明了本文算法的可行性。

摘要： 详细分析自由空间中电偶极子的近场特性,给出了理想偶极子场分布特性的分析结果.建立了一个实用近场通信天线的时域有限差分(FDTD)方法计算模型,分析了该天线的场分布特性.计算结果对下一代近场通信天线的设计具有一定的参考价值.

摘要： 详细分析自由空间中电偶极子的近场特性,给出了理想偶极子场分布特性的分析结果.建立了一个实用近场通信天线的时域有限差分(FDTD)方法计算模型,分析了该天线的场分布特性.计算结果对下一代近场通信天线的设计具有一定的参考价值.

摘要： 详细分析自由空间中电偶极子的近场特性,给出了理想偶极子场分布特性的分析结果.建立了一个实用近场通信天线的时域有限差分(FDTD)方法计算模型,分析了该天线的场分布特性.计算结果对下一代近场通信天线的设计具有一定的参考价值.

摘要： 详细分析自由空间中电偶极子的近场特性,给出了理想偶极子场分布特性的分析结果.建立了一个实用近场通信天线的时域有限差分(FDTD)方法计算模型,分析了该天线的场分布特性.计算结果对下一代近场通信天线的设计具有一定的参考价值.

摘要： 本文分析了半空间电磁散射问题中时域有限差分(FDTD)计算的基本理论，特别阐述了用于半空间电磁散射或辐射问题的近-远场外推方法，该方法具有形式简洁、物理过程直观和便于数值实现的优点。然后计算半空间中无限长圆形理想导体柱的远区散射场，验证了算法和程序的可靠性，并研究了具有不同介质参数的三角形柱的远区散射场。结果表明：不同的介质参数对远区散射场有着很大影响。

摘要： 本文分析了半空间电磁散射问题中时域有限差分(FDTD)计算的基本理论，特别阐述了用于半空间电磁散射或辐射问题的近-远场外推方法，该方法具有形式简洁、物理过程直观和便于数值实现的优点。然后计算半空间中无限长圆形理想导体柱的远区散射场，验证了算法和程序的可靠性，并研究了具有不同介质参数的三角形柱的远区散射场。结果表明：不同的介质参数对远区散射场有着很大影响。

摘要： 本发明公开了一种多GPU并行的时域有限差分电磁仿真方法及系统，其仿真方法包括：根据预设的GPU并行数量对空间网格进行区域分解使分解后相邻子域包含有相同的重叠网格；所述空间网格通过对三维电磁模型进行Yee网格划分获得；为每个GPU匹配其对应子域的区域参数，控制各GPU结合区域参数分别对其子域所对应的所述重叠网格以及所述重叠网格以外区域进行电磁场数据的迭代运算，并对电磁场数据迭代运算结果进行数据存储。本发明可有效解决电磁FDTD算法在求解电大尺寸的仿真案例过程中存在的内存消耗大、计算效率低、计算时间长等问题。

摘要： 本发明公开了一种基于时域高阶有限差分法的高精度波场数值模拟方法,包括以下步骤：S1.在波场方程的基础上，对空间2M阶展开，发展得到的传统时间二阶空间高阶的有限差分方法；S2.基于均匀网格有限差分方法以及Taylor公式，对二阶时间导数进行N阶精度的展开，得到奇数时刻时间高阶差分求解公式,并将奇数时刻时间高阶有限差分表示；S3.基于均匀网格有限差分方法以及Taylor公式，对二阶时间导数进行N阶精度的展开，得到偶数时刻时间高阶差分求解公式,并将偶数时刻时间高阶有限差分表示；S4.对波场模拟奇数时刻和偶数时刻有限差分方法进行奇偶加权处理。本发明在保证高稳定性的同时有效的压制了频散，可提供精确稳定的波场模拟结果。

摘要： 本发明公开了一种多GPU并行的时域有限差分电磁仿真方法及系统，其仿真方法包括：根据预设的GPU并行数量对空间网格进行区域分解使分解后相邻子域包含有相同的重叠网格；所述空间网格通过对三维电磁模型进行Yee网格划分获得；为每个GPU匹配其对应子域的区域参数，控制各GPU结合区域参数分别对其子域所对应的所述重叠网格以及所述重叠网格以外区域进行电磁场数据的迭代运算，并对电磁场数据迭代运算结果进行数据存储。本发明可有效解决电磁FDTD算法在求解电大尺寸的仿真案例过程中存在的内存消耗大、计算效率低、计算时间长等问题。

摘要： 本发明公开了一种基于时域有限差分法的半确定性信道仿真方法。该方法采用时域有限差分法(FDTD)对全空间进行电磁仿真来获取收发之间的响应，并对散射物进行微调来引起信道的波动，从而获得信道的多径统计特性。首先，在设置空间媒质分布的基础上，采用FDTD通过更新方程进行磁场和电场的不停迭代，直到达到预设的时间总步数后停止；然后，取出激励源信号s(t)和观测点的信号r(t)，将二者进行频率搬移并滤波取得信号的包络信号或称等效低通信号sl(t)和rl(t)，之后求观测信号rl(t)与激励信号sl(t)的相关，由相关峰的峰值和时延可得此信道每条路径的衰减和时延；最后，将计算空间内的散射物随机变动，多次之后求取各条路径上衰减与时延的统计特性。本发明计算精确，适用性广泛，也可用于复杂介质下的信道计算。又加入了散射物的随机性，得到了半确定性信道模型，体现出了信道的随机性特征。

摘要： 基于时域有限差分的双曲超材料的完美匹配层方法，属于计算电磁仿真领域。包括以下步骤：1)设置FDTD算法的仿真参数；2)确定仿真精度和离散网格数；3)在双曲介质中加入正弦波源；4)更新电场和磁场分量；5)绘制磁场分布，并分析稳定性；6)数据后处理，若步骤5)中得到的磁场场量的结果不收敛，或误差较大，则说明PML不稳定，需要对PML进行修正。在双曲材料中传播的电磁波在传统PML和COMSOL频域PML仿真中存在数值发散的问题，本发明解决时域传统PML和COMSOL中频域PML不能吸收双曲材料中的电磁波的问题，并表现出很强的稳定性，数值结果进一步验证了PML改进技术的有效性。

摘要： 本发明涉及一种基于电磁场时域有限差分法的模拟电磁参数方法，用于建筑体的雷电电磁脉冲防护，包括如下步骤：获取第一参数组，根据所述第一参数组生成所述建筑体的模拟三维空间；获取第二参数组，根据所述第二参数组对所述模拟三维空间进行网格划分，得到模拟三维网格空间；获取第三参数组，根据所述第三参数组确定雷电通道在所述模拟三维网格空间内的相对位置参数；获取第四参数组，根据所述第四参数组及所述相对位置参数，利用麦克斯韦方程计算预定时空范围内的电磁参数。上述基于电磁场时域有限差分法的模拟电磁参数方法的有益效果是：可通过计算机模拟建筑体周边的电磁参数，并针对模拟电磁参数对雷电电磁脉冲进行防护设计。

摘要： 基于时域有限差分方法的涡旋波束源合成方法，本发明涉及涡旋波束源合成方法。本发明目的是为了解决现有方法研究粒子散射带来硬件上、频段上的局限，以及计算效率低、计算时间长、计算结果准确率低的问题。基于时域有限差分方法的涡旋波束源合成方法具体过程为：步骤一、获取频域的简谐平面波；步骤二、根据频域的简谐平面波，得出时域高斯脉冲；步骤三、基于时域高斯脉冲函数，得到涡旋电磁场在时域所需要的脉冲。本发明属于微波工程技术领域、计算电磁学算法领域。

摘要： 本发明涉及一种随机混合显隐式时域有限差分方法，该方法：定义随机电磁参数，根据实验数据确定其均值、标准差的统计规律；对麦克斯韦方程进行线性期望运算，得到电场和磁场期望的迭代求解公式；对麦克斯韦方程进行方差运算，得到电场和磁场方差的迭代求解公式；输入随机电磁参数的均值和标准差，迭代求解麦克斯韦方程中电场和磁场的期望和标准差；对电场和磁场的期望和方差等电磁响应进行后处理，得到宽带的电磁散射特性。本发明仅需要一次运算即可获得目标宽频带的电磁散射特性，极大地节约了计算时间；在处理空间分辨率具有高对比度的材料时具有较大的优势和更高的计算效率；本发明在具有较高计算效率的同时，亦保证了计算的精度。

摘要： 本发明涉及一种基于循环卷积神经网络的时域有限差分快速求解方法，其中，该方法包括以下步骤：将时域有限差分方法中的空间差分算子等价为卷积神经网络；将时域有限差分方法中的时间差分算子等效为循环神经网络；将时域有限差分方法中的激励源等效于循环卷积神经网络的输入；将时域有限差分方法中边界匹配条件涉及的空间微分算子等效为卷积伸进网络，开展GPU平台下的仿真计算。本发明实现基于循环卷积神经网络的时域有限差分快速求解方法，适应性强、计算效率高，极大的提升了时域有限差分方法的电磁场求解效率。

摘要： 基于时域有限差分方法的涡旋波束源合成方法，本发明涉及涡旋波束源合成方法。本发明目的是为了解决现有方法研究粒子散射带来硬件上、频段上的局限，以及计算效率低、计算时间长、计算结果准确率低的问题。基于时域有限差分方法的涡旋波束源合成方法具体过程为：步骤一、获取频域的简谐平面波；步骤二、根据频域的简谐平面波，得出时域高斯脉冲；步骤三、基于时域高斯脉冲函数，得到涡旋电磁场在时域所需要的脉冲。本发明属于微波工程技术领域、计算电磁学算法领域。